DE2648428A1

DE2648428A1 - Akustischer transformator fuer trichterlautsprecher

Info

Publication number: DE2648428A1
Application number: DE19762648428
Authority: DE
Inventors: Clifford Allan Henricksen
Original assignee: ALTEC CORP
Current assignee: Altec Lansing Corp
Priority date: 1976-04-21
Filing date: 1976-10-26
Publication date: 1977-11-03
Also published as: JPS547574B2; FR2349252B1; GB1514007A; JPS52129517A; DE2648428C2; FR2349252A1; US4050541A; BE856768A

Description

AKUSTISCHER TRANSFORtIATOR FÜR TRICHTERLAÜTSPRECHER

Die Erfindung betrifft Trichterlautsprecher und insbesondere einen verbesserten akustischen Transformator oder Phasentrichter für die Verwendung in solchen Lautsprechern.

Bei Trichterlautsprechern wird allgemein ein als "Phasentrichter" bekannter akustischer Transformator verwendet, um eine Impedanzanpassung zwischen dem Ausgang der Lautsprechermembran und der Mündung oder Engstelle des Lautsprechertrichters herzustellen. Der Aufbau dieses Transformators ist besonders wichtig zur Erzielung eines guten Frequenzgangs in dem hohen Frequenzbereich (oberhalb 7 kHz). Im allgemeinen wird

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ein Durchmesser der Trichtermündung verwendet, der klein ist im Vergleich mit dem Durchmesser der Membran.

Im Stand der Technik besaßen akustische Transformatoren allgemein die Form einer Vielzahl von ringförmigen konzentrischen Kanälen, die nach außen von ihren Einlassen zu ihren Auslassen verjüngt waren. Diese Art des Transformators oder "Phasentrichters" arbeitet recht wirkungsvoll. Er ist jedoch sehr schwierig und kostspielig herzustellen, da er wegen der Schwierigkeiten bein Heraufnehmer dieser Art Struktur aus einer Form nicht in einem Stück geformt werden kann. Um diese Nachteile zu überwinden, v/urden verschiedene Versuche zur Konstruktion von Lautsprechertrichtern unter Verwendung radialer Schlitze/Kanäle unternonirien. Solche vorbekannten Anordnungen werden in den US-Patentschriften 2.832.844 und 2.183, 528 beschrieben. In der US-Patentschrift 2.832.844 besitzt der akustische Transformator radiale Schlitze oder Nuten mit einem rechteckigen Querschnitt. Anders als in der vorliegenden Erfindung ist kein Kopplungsübergang zwischen dem Ausgang der Membran und der Mündung des Trichters vorgesehen. In der Anordnung nach der US-Patentschrift 2.133.528 wird der Versuch unternommen, eine Impedanzanpassung des Ausgangs der Membran an die Mündung des Trichters dadurch zu schaffen, daß die Kanäle seitlich verbreitert werden. In der Anordnung nach der US-Patentschrift 2.183.528 ist jedoch keine exponentiell Erweiterung der Kanäle vorgesehen, welche einen glatten übergang in der Schallankopplung zwischen der Membrane und der Mündung des Lautsprechertrichters ergibt, und zur Umwandlung der kugel-

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förmigen Wellenfront der von der Membran abgestrahlten Schallwellen in eine ebene Wellenfront zur Ankopplung an die Mündung des Lautsprechertrichters dient, wie dies in der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Weiterhin bleibt in der Vorrichtung nach der vorgenannten US-Patentschrift ein Luftraum zwischem dem "Phasentrichter" und den Seiten des Polstücks am ausgangsseitigen Ende des Trichters offen, welcher mit großer Wahrscheinlichkeit eine Verzerrung erzeugt. In der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung wird ein solcher Luftspalt nicht zugelassen, das heißt, der "Phasentrichter" liegt passend an dem Polstück an und gestattet dadurch eine vollständige Kontrolle der Luftströme in jedem der ähnlichen Exponentialkanäle und vermeidet die Entstehung von Komponenten zur Frequenzverzerrung. Um einen Abfall der Frequenzkurve bei den interessierenden höheren Frequenzen zu vermeiden, wird der Abstand zwischen benachbarten Kanälen auf ein Minimum gebracht. Weiterhin wird eine Anzahl von Kanälen entsprechend einer Primzahl verwendet, wodurch die Erzeugung von Oberwellenkomponenten in der Membran auf ein Minimum gebracht wird. Dieser Parameter für den Aufbau der Anordnung wird in den beiden vorgenannten Patentschriften weder gelehrt noch nahegelegt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen "Phasentrichter" zu schaffen, der leichter und wirtschaftlicher hergestellt werden kann. Weiterhin soll ein "Phasentrichter" geschaffen werden, welcher radiale Schallkanäle benutzt und einen verbesserten Wirkungsgrad und eine geringere Verzerrung als vorbekannte Trichter mit radialen Kanälen besitzt. Schließlich soll

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ein solcher Phasentrichter in der Lage sein, eine kugelförmige Wellenfront an seinem Eingang in eine ebene Wellenfront an seinem Ausgang umzuwandeln.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in ihrer Verwendung in einem Trichterlautsprecher;

Fig. 2 eine Ansicht der Eingangsseite der bevorzugten Ausführungs form;

Fig. 3 eine Ansicht der Ausgangsseite der bevorzugten Ausführung s form;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Wände der Kanäle der bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Abmessungsverhältnisse der "Segmente" zur Trennung der Kanäle für die bevorzugte Ausführungsform;

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform in der Einbaulage in einer Polstückanordnung;

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Fig. 7A und 7B perspektivische Ansichten der "Segmente" zur Kanaltrennung in der bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 8 eine Ansicht des Schall-Eingangsendes einer alternativen Ausführungsform.

Zusammenfassend kann die erfindungsgemäße Anordnung wie folgt beschrieben werden: Der "Phasentrichter" besitzt an seiner Schalleingangsseite eine kuppeiförmige Oberfläche und eine Oberfläche in Form eines Kegelstumpfs an der entgegengesetzten Seite. Eine Vielzahl von radialen Nuten oder Kanälen sind zwischen den beiden Oberflächen gebildet, wobei vorzugsweise eine Anzahl dieser Kanäle entsprechend einer Primzahl vorhanden ist. Jeder der Kanäle wird verwendet zur Impedanzanpassung des Ausgangs der Lautsprechermembran an den Eingang des Lautsprechertrichters und ist von seinem Einlaß, welcher den Schall von der Lautsprechermembran empfängt, zu seinem Auslaß exponentiell erweitert, welcher die Form einer ebenen Fläche besitzt und den Schall an die Mündung des Lautsprechertrichters abgibt. Die Abstände zwischen den entsprechenden Punkten entlang dem kreisbogenförmigen Einlaß jedes Kanals und dem ebenen Auslaß desselben sind alle untereinander gleich, um eine optimale Umwandlung der Schallwellen von einer kugelförmigen Wellenfront in eine ebene Wellenfront zu erhalten.

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Weiterhin wird der Abstand zwischen benachbarten Kanälen des Trichters klein genug gemacht, so dass innerhalb des Frequenzbereichs des erwünschten Betriebs keine stehende Ressonanzwelle auftritt. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird in den mittleren ("Kern") Teil des Phasentrichters eine Öffnung eingefügt, um einen solchen Resonanzzustand bei irgendeiner Frequenz im interessierenden Bereich noch weiter zu unterdrücken. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Anzahl von Kanälen entsprechend einer Primzahl verwendet, um die Erzeugung von Oberwellsignalen auf ein Minimum zu bringen.

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in ihrer Einbaulage in einem Trichterlautsprecher. Die Lautsprechermembran 11 wird auf einen Lautsprecherrahmen 14 mit Hilfe einer Spinne 15 federnd gehalten. Eine Schwingspule 16 ist auf den Spulenformteil der Membranstruktur gewickelt und befindet sich in dem Magnetspalt, weicher zwischen den Polstückelementen 18 und 19 gebildet ist. Ein a kustischer Transformator oder Phasentrichter 2o ist so angebracht, dass ein Teil 2oa seiner Oberfläche, welcher die Form eines Kegelstumpfs besitzt, an der angepassten Oberfläche 18a des Polstücks 18 anliegt. Der mittlere Teil des inneren Umfangs des Phasentrichters ist durch scharfe geradlinige Kanten 2ob und den Trichterteil 2of mit ebener Oberfläche gebildet. Die äussere Oberfläche 2oc des Phasentrichters ist kuppeiförmig und gegenüberliegend zur Membran 11 angeordnet. Die Kugelgestalt der Fläche 2oc entspricht der Kugelgestalt der Membran. Die geradlinigen Kanten 2ob sind gegenüberliegend zur Mündung des Lautsprechertrichters 22 angeordnet. Der Schall wird von der kugelförmigen Membran 11, welche Schallwellen mit einer kugelförmigen oder sphärischen Wellenfront abstrahlt, durch die im Phasentrichter 2o gebildeten radialen Kanäle auf die Mündung des Lautsprechertrichters 22 gekoppelt, wobei die sphärische Wellenfront durch den Phasentrichter in eine

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ebene Wellenfront umgewandelt wird, wie dies noch im weiteren Teil der Beschreibung beschrieben wird.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Phasentrichters. Die Eingangsseite des Trichters gemäss der Abbildung in Figur 2 besitzt eine kuppeiförmige Fläche 2oc, während die gegenüberliegende Seite gebildet durch die Flächen 2oa zusammen mit den mittleren geradlinigen Kanten 2ob und den mittleren Teil 2of die allgemeine Form eines Kegelstumpfes besitzt. Eine Vielzahl von radialen Kanälen 24 verlaufen zwischen den Oberflächen 2ob und 2oa und sind durch Trichterausschnitte oder "Segmente" 2oe gebildet, wobei die Seitenwandteile 2og der Abschnitte eine exponentiell Krümmung besitzen. Der mittlere oder "Kern"-Teil 2of des Stopfens ist kegelförmig gestaltet, wobei die mittleren Teile 2oh (siehe Figur 7B) der "Segmente" entlang den Seiten des Kegels verlaufen.

Zur bequemeren Darstellung werden die Trichterabschnitte oder "Segmente" in den Figuren 7a und 7b als getrennte Elemente gezeigt. Es ist jedoch zu beachten, dass der Trichter als integrale Einheit hergestellt wird und keine getrennte Stücke dieser Art vorhanden sind. Die Fläche 2og ist eine Fläche zweiter Ordnung, das heisst, sie besitzt eine exponentielle Krümmung. Die Fläche 2oc ist kugelförmig und an die Kugelgestalt der Lautsprechermembran angepasst. Die Fläche 2oa ist konisch zur Anpassung an das Polstück 18. Die Fläche 2oh ist konisch zur Anpassung an den konischen Trichterabschnitt 2of. Die Kante 2ob verläuft in einer geraden Linie.

Es wird nunmehr auf die Figur 6 Bezug genommen, welche die bevorzugte Ausführungsform des Phasentrichters in ihrer Einbaulage im Polstück zeigt. Die Flächenteile 2oa liegen an der vertieften Oberfläche des Polstücks angepasst an diese Oberfläche an, so dass kein Zwischenraum zwischen den beiden Teilen verbleibt, und die Kantenteile 2ob stehen dem mittleren mit einer Öffnung^ ausges±5Lt±eten Teil 18a des Polstücks

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gegenüber.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figuren 4, 7A und 7B. Die exponentielle Krümmung der Seitenflächen 2og der Kanäle ist so beschaffen, dass die geradlinigen Abstände I₁ ^-I₁₁ zwischen entsprechenden Punkten auf der gekrümmten Fläche 2oc und der geraden Kante 2ob alle gleich sind. Das heisst, wenn die Fläche 2oc und die Kante 2ob in die gleiche Zahl von gleichen Teilen unterteilt werden, und noch die Gerade 1 gleich der Geraden 1. gemacht wird, dann sind die Längen der Geraden I2, I₃..., l_n_-|j welche die Kanten jeder dieser Teile bilden, alle im wesentlichen gleich zueinander. Dies ist in Figu 4 dargestellt, wobei aus Figur 6 ersichtlich ist, dass "r" die Länge des Bogens zwischen der äusseren und inneren Oberkante jedes der Trichterabschnitte 2oe ist und "z" die Länge der Kantenteile jedes dieser Abschnitte ist. Die geraden Linien "I₁ - 1 " verbinden entsprechende Punkte mit gleichem Abstand entlang der Linien "r" und "z" miteinander. Die Krümmung der Fläche 2og wird dabei so gestaltet, dass die Linien 1.. - I_n alle gleich zueinander sind. Wie bereits bemerkt, wird die Krümmung der Fläche 2oc so gestaltet, dass sie an die Krümmung der Lausprechermembran angebracht ist, während anderseits die Kante 2ob eben gestaltet wird zur Anpassung an die Münddung des Lautsprechertrichters. Die ebene Fläche 2oa des Trichters liegt eng an der Fläche 18a des Polstücks 18 an, so dass die Schallenergie gut durch die Kanäle 24 zur Mündung des Lautsprechertrichters geleitet wird, wobei keine überflüssigen Lufträume zwischen benachbarten Kanälen vorhanden sind.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Zahl von Kanälen entsprechend einer Primzahl vorgesehen, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Primzahl 11 verwendet wird. Hierdurch wird die Bildung von Oberwellensignalen auf der Membran mit der daraus entstehenden Verzerrung auf

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ein Minimum gebracht. Es wird nunmehr auf die Figur 5 Bezug genommen, welche bestimmte Abmessungsverhältnisse zur optimalen Auslegung des Trichters schematisch darstellt. Die Abmessung "I," ist in Figur 5 als Abstand zwischen der Mitte jedes der Trichtersegmente 2oe und der Mitte jedes benachbarten Kanals 24 dargestellt, gemessen am äusseren Umfang jedes dieser Segmente. Die Abmessung "1," wird vorzugsweise so klein wie möglich gemacht und sollte in jedem Falle kleiner sein als eine Viertelwellenlänge bei der höchsten interessierenden Frequenz. Der Grund hierfür liegt darin, dass die durch die Abmessung "1," gegebene Vfertelwellenresonanz im Endeffekt als Abstimmstutzen arbeitet, welcher Schallwellen bei und in der Nähe dieser Resonanzfrequenz dämpft.

Es wird nunmehr auf die Figur 8 Bezug genommen, welche eine abgewandelte Ausführungs form der Erfindung zeigt. Die Ausführungsform gleicht der vorher beschriebenen Ausführungsform mit Ausnahme der Einfügung einer Öffnung 35, welche in dem Mittelteil 2of des Trichters gebildet ist. Die Verwendung dieser Öffnung bewirkt, eine Tendenz zur Verhinderung der Ausbildung von akkustischen Resonanzwegen und damit eine Tendenz zur Verbesserung des Betriebs des Trichters bei den höheren Frequenzen. Die Verwendung einer solchen Öffnung ist besonders günstig bei Phasentrichtern mit grösseren Abmessungen.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand von Ausführungsformen im einzelnen beschrieben. Diese dienen jedoch nur zur Veranschaulichung und sind nicht als Begrenzung aufzufassen.

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Claims

P atentansp rüche

V· Akustischer Transformator zur Kopplung des Schalls von einer kuppeiförmigen Lausprechermembran zu der ebenen Mündung eines Lautsprechertrichters, gekennzeichnet durch ein Teil (2o) mit folgenden Merkmalen:

eine kuppeiförmige Fläche (2oc) mit einer Kugelform entsprechend der Form der Membran (11), eine Fläche (2oa) entgegengesetzt dieser kuppeiförmigen Fläche (2oc), welche die Form eines Kegelstumpfes besitzt, ein mittlerer Trichterteil (2of),

eine Vielzahl von radialen Kanälen (24) in dem Teil (2o), wobei diese Kanäle (24) um das Teil (2o) herum beabstandet sind und durch das Teil zwischen den gegenüberliegenden Flächen (2oa, 2oc) desselben verlaufen, wobei sie vom mittleren Teil (2of) aus radial nach aussen zu den äusseren Kanten des Teils (2o) verlaufen,
zwischen den Kanälen (24) gebildete Abschnitte (2oe) des

Teils (2o), wobei die gegenüberstehenden Wandflächen beim wesentlichen nachbarter Abschnitte eine|exponentielle Krümmung besitzen und die Kanäle (24) exponentiell verjüngte Schallkanäle bilden, wobei sich das Schalleingangsende dieser Kanäle (24) entlang der kuppeiförmigen Fläche (2oc) und das Schallaustrittsende entlang des kegelstumpfförmigen Endes der gegenüberliegenden Oberfläche (2oa) befindet und dieses kegelstumpfförmige Ende eben ist, wobei noch die Abstände zwischen entsprechenden Punkten entlang der Wandflächen an den Eingangsenden und den Ausgangsenden der Kanäle (24) praktisch gleich sind,

wodurch von der Membran (11) erzeugte Schallwellen mit einer sphärischen Wellenfront, welche in die Kanäle (24) an deren Einlassende eintreten, zur Ankoppelung an die Mündung des Lautsprechertrichters (22) an dem Auslassende derselben in eine ebene Wellenfront umgewandelt sind.
2. Akustischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch ge-

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kennzeichnet, dass der mittlere Trichterteil (2of) eine Kege1stumpffοrm mit einer Verjüngung zwischen der kuppeiförmigen Fläche (2oc) und dem kegelstumpfförmigen Ende der Kegelfläche besitzt).
3. Akustischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Wände der Kanäle (24) entlang dem kegelförmigen Ende der gegenüberliegenden Fläche (2oa) scharfe Kanten besitzen.
4. Akustischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trichterteilt (2o) eine Öffnung (35) gebildet ist, welche sich zwischen gegenüberliegenden Oberflächen erstreckt.
5. Akustischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Mitten der Abschnitte (2oe) am äussersten Rand derselben und den Mitten der Kanäle (24) kleiner ist als eine Viertelwellenlänge bei der maximalen Frequenz der umzuformenden Schallwellen.
6. Akustischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zahl von Kanälen (24) entsprechend einer Primzahl vorgesehen ist.
7. Trichterlautsprecher, dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst:

eine kuppeiförmig gestaltete Lautsprechermembran (11), einen Lautsprechertrichter (22) mit einer ebenen Mündung, ein zylindrisches Teil (18) mit einer Öffnung durch seinen Mittelteil und einem konisch vertieften Teil, welcher diese Öffnung umgibt, und

einen akustischen Transformator (2o) zur Kopplung der Schallausgangsleistung der Membren (11) auf die Engstelle

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des Lautsprechertrichters (22) , wobei der Transformator ein Teil mit folgenden Einzelteilen umfasst: eine kuppeiförmig gestaltete Fläche (2oc) mit einer Kugelgestalt entsprechend der Gestalt der Lautsprechermembran (11), welche unmittelbar gegenüberstehend zur Lautsprechermembran angeordnet ist,

eine Kegelstumpffläche (2oa) gegenüberliegend zu der kuppeiförmigen Fläche (2oc), wobei das Kegelstumpfende dieser Kegelstumpffläche eben ist und unmittelbar der Mündung des Lautsprechertrichters gegenüber und in einer ebene parallel zu dieser Mündung liegt, wobei die Seiten dieser konische Fläche (2oc) eng in den konisch vertieften Teil des zylindrischen Teils (18) passen, ein mittlerer Trichterteil (2of) zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen (2oa, 2oc),

eine Vielzahl von radialen Kanälen (24), die um das Teil (2o) herum gebildet sind und durch dasselbe zwischen den gegenüberliegenden Flächen (2oa, 2oc) desselben verlaufen, wobei diese Kanäle (24) von dem mittleren Trichterteil (2of) radial nach aussen zu den Aussenkanten des Teils (2o) verlaufen,

zwischen den Kanälen (24) gebildete Abschnitte (2oe) des Teils (2o) und gegenüberstehende Wandflächen (2og) benachbarter Abschnitte (2oe), welche die Kanäle bilden und eine im wesentlichen

Fläche/zweiten Grades darstellen, wodurch die Kanäle im wesentl. exponentielle Schallkanäle bilden, die zwischen der Lautsprechermembran und der Mündung des Lautsprechertrichters (22) verlaufen, wobei noch die Abstände zwischen entsprechenden Punkten entlang jeder dieser Wandflächen (2og) an den Enden zur Lautsprechermembran (11) und an den Enden zur Mündung des Lautsprechertrichters (22) bei diesen Kanälen praktisch gleich gross sind, wodurch die sphärischen Wellenfronten der von der Lautsprechermembran (11) erzeugten Wellen durch den Transformator in ebene Wellenfronten zur Ankoppelung an die Mündung des Lautsprechertrichters (22) umformbar sind.

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8. Trichterlautsprecher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Teil (18) eine Polstück bildet.
9. Trichterlautsprecher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Wände (2og) der Kanäle (24) entlang dem Kegelstumpfende der kegelstumpfförmigen Fläche scharfe Kanten besitzen.
10. Trichterlautsprecher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichterteil (2o) eine Kegelstumpfform mit Verfüngung nach innen ausgehend von der kuppeiförmigen Fläche (2oc) zum Kegelstumpfteil besitzt.
11. Trichterlautsprecher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Zahl von Kanälen (24) entsprechend einer Primzahl besitzt.
12. Trichterlautsprecher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichterteil eine Öffnung (35) besitzt, welche zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen verläuft.

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